Химические свойства древесины

 

Химический состав древесины

 

Ранее было отмечено, что древесина в основном состоит из органических веществ (99%), в состав которых входят: С - углерод; Н - водород; О - кислород и N - азот.

Элементный химический состав древесины всех пород практически одинаков. Органическая часть абсолютно сухой древесины содержит:

- углерода - 49 - 50%;

- кислорода - 43 - 44%;

- водорода - 6%;

- азота - 0,12%.

Неорганическая часть может быть выделена в виде золы путем сжигания древесины. Золы содержится в древесине всего 0,1-1 %. В ее состав входят кальций, калий, натрий, магний, в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы. Они образуют минеральные вещества, большая часть которых нерастворима в воде (соли кальция), растворимы в воде сода и поташ (до 12%).

Схематически состав древесины можно представить в следующем виде:

 

 

Рис. 8. Схема состава древесины

 

Входящие в состав древесины углерод, водород и кислород, образуют сложные органические вещества, часть которых входит в состав клеточных стенок, часть - в состав содержимого клеток.

Клеточные стенки древесины состоят, главным образом, из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. В полости клеток содержатся дубильные красящие вещества, смолы, камеди, эфирные масла и алкалоиды.

Кора по элементному химическому составу мало отличается от древесины, но количество минеральных веществ в ней больше.

Характеристика органических веществ

Древесины и коры

 

Целлюлоза. Это вещество представляет собой высокомолекулярное соединение - линейный полимер полисахарид, который, как и крахмал имеет формулу: (С₆H₁₀O₅) n, где n - степень полимеризации.

Число этих звеньев, характеризуемое степенью полимеризации, составляет величину, равную 5000-10000 и даже больше. Целлюлоза имеет волокнистое строение, является веществом очень стойким и нерастворимым в воде, спирте, эфире, ацетоне и в других обычных органических растворителях.

В присутствии кислот происходит гидролиз целлюлозы с разрушением цепей макромолекул. Рентгенографические исследования показали, что целлюлоза обладает упорядоченной (кристаллической) структурой. Степень кристалличности, выражающая отношение кристаллической части к ее общей массе, у древесной целлюлозы может достигать 70%.

Гемицеллюлозы. Это группа веществ, входящих в состав оболочек клеточных стенок и по своему составу близких к целлюлозе. В отличие от нее они обладают меньшей химической стойкостью. Гемицеллюлозы разделяются на две группы: пентозаны и гексозаны.

Пентозаны при гидролизе дают сахара - пентозы, они не способны бродить и давать спирт. При кипячении их с 12% соляной кислотой они образуют фурфурол, который в промышленности используется в каменноугольных красителях и при производстве пластических масс.

Гексозаны при гидролизе дают тоже сахара - гексозы, которые уже способны бродить и давать спирт. Пентозаны преобладают в древесине лиственных пород, а гексозаны - в древесине хвойных пород. В растущем дереве пентозаны выполняют преимущественно механические функции, а гексозаны служат главным образом в качестве резервных веществ.

Лигнин. Он также входит в состав клеточных стенок и играет роль цементирующей ароматической добавки. Это высоукомолекулярное соединение (полифенол) с большим содержанием углерода, очень сложное и его строение до сих пор окончательно не установлено. Лигнин химически менее стоек, чем целлюлоза. Это используется при выделении целлюлозы из древесины. Лигнин пока не имеет широкого применения. Частично используется для производства крепителей формовочной земли, при производстве цемента; частично используется как заменитель дубильных экстрактов, в качестве наполнителя в резиновой промышленности. Однако вопросы о полном квалифицированном химическом использовании лигнина еще не решены.

Экстрактивные вещества. В эту группу входят вещества, которые могут быть извлечены из древесины и коры путем экстракции водой и органическими растворителями.

Дубильные вещества используют для выделки кож (дубления) из сырых шкур животных. Основную, активную часть дубителей составляют танниды - производные многоатомных фенолов. В состав дубителей кроме таннидов входят углеводы, органические кислоты, минеральные и азотосодержащие вещества. Фенольные группы таннидов взаимодействуют с аминокислотами белковых молекул, образуя нерастворимые соединения. Кожа становится эластичной, мягкой, ненабухаемой в воде, стойкой против загнивания.

В древесине различных пород содержится различное количество дубильных веществ: у дуба - 6-11% (в ядре); в каштане - 6-13%. В коре дуба, ели, ивы, лиственницы, пихты - 5-6%.

Камеди представляют собой водорастворимые смолообразные вещества, состоящие в основном из полисахаридов, используются в спичечном производстве, медицине, ситцепечатании и т.д.

Красящие вещества желтого, коричневого, красного и синего цвета содержатся в полостях клеток древесины (особенно в ядре) и коры.

Смолы, находящиеся в древесине и коре (в смоляных ходах) хвойных пород, содержат в природном состоянии значительное количество (около 40%) терпенов и смоляные кислоты. Выделяющаяся при ранении дерева (ствола) живица по своему составу отличается от смолы, находящейся в смоляных ходах. Она быстро окисляется на воздухе и под воздействием температуры. Является основой для получения технического продукта - скипидара - одного из лучших растворителей. Другой технический продукт из живицы - канифоль.

Из эфирных масел, находящихся в древесине, необходимо отметить камфарное масло, которое получается из древесины камфарного лавра. При экстракции водяным паром его получается около 4%.

Пихтовое масло добывается из хвои и шишек различных видов пихты, молодых веток (лапок), представляет собою прозрачную бесцветную жидкость с хвойным запахом. В основном используются в медицине.

Древесина некоторых пород (преимущественно тропических) содержит ядовитые вещества. При шлифовании и других видах механической обработки такой древесины, образующаяся пыль, мелкие опилки могут вызвать отравления или кожные заболевания.

Входящие в состав древесины танниды, смолы и эфирные масла содержат легколетучие вещества, обусловливающие ее запах. Особенно сильным запахом обладают хвойные породы. Изменение запаха часто свидетельствует о начале процесса загнивания древесины от воздействия грибов.

Элементный химический состав коры мало отличается от состава древесины, но кора содержит гораздо меньше целлюлозы и значительно больше экстрактивных и минеральных веществ. Как было указано ранее, в корке содержится суберин, которого нет в древесине. В корке березы - бересте - помимо суберина содержится бетулин, придающий ей характерный белый цвет.